Seltene Erden schürfen - aus Elektroschrott

So selten, wie ihr Name suggeriert, sind seltene Erden zwar nicht. F¨¹r die moderne Wirtschaft sind sie aber unabdingbar. Denn diese 17 Metalle sind essenzielle Rohstoffe f¨¹r die Digitalisierung und die Energiewende: Sie stecken in Smartphones, Computern, Bildschirmen und Batterien ¨C ohne sie l?uft kein Elektromotor und dreht sich kein Windrad. Weil Europa fast vollst?ndig auf Importe aus China angewiesen ist, gelten diese Rohstoffe als ?kritisch?.

Kritisch sind seltene Erden aber auch wegen ihrer Gewinnung. In nat¨¹rlichen Erzen kommen sie stets gemischt vor ¨C doch da sich diese Elemente chemisch sehr ?hnlich sind, lassen sie sich nur schwer voneinander trennen. Traditionelle Trennverfahren sind daher sehr chemikalien- und energieintensiv und erfordern etliche Extraktionsschritte. Das macht die F?rderung und Reinigung der Metalle teuer, aufw?ndig und f¨¹r die Umwelt enorm sch?dlich.

?Trotzdem werden seltene Erden in Europa noch kaum wiederverwertet?, sagt Victor Mougel, Professor am Laboratorium f¨¹r Anorganische Chemie der ETH Z¨¹rich. Eine Team von Forschenden unter Mougels Leitung will das ?ndern. ?Es braucht dringend nachhaltige und unkomplizierte Methoden zur Trennung und R¨¹ckgewinnung dieser strategischen Rohstoffe aus unterschiedlichen Quellen?, fordert der Chemiker.

In einer k¨¹rzlich im Fachjournal externe Seite Nature Communications publizierten Studie pr?sentiert das Team eine ¨¹berraschend einfache Methode, mit der sich das Seltenerdmetall Europium effizient aus komplexen Gemischen von anderen seltenen Erden abtrennen und wiederverwerten l?sst.

Von der Natur inspiriert

Marie Perrin, Doktorandin in Mougels Gruppe und Erstautorin der Studie, erkl?rt: ?Bestehende Trennverfahren beruhen auf Hunderten von sogenannten Fl¨¹ssig-Fl¨¹ssig-Extraktionsschritten und sind ineffizient, und das Recycling von Europium war bislang wenig praktikabel.? In ihrer Studie zeigten sie nun, dass ein einfaches anorganisches Reagenz diese Trennung erheblich verbessern kann. ?Damit gewinnen wir Europium in wenigen einfachen Schritten ¨C und das in Mengen, die mindestens 50-mal h?her sind als mit bisherigen Trennmethoden?, so Perrin.

Der Schl¨¹ssel zu dieser Technik liegt in kleinen anorganischen Molek¨¹len mit vier Schwefelatomen, die um ein Wolfram- oder Molybd?natom herum angeordnet sind: Tetrathiometallate. Die Forschenden liessen sich dabei von der Welt der Proteine inspirieren. Tetrathiometallate kommen oft als Bindungsstelle f¨¹r Metalle in nat¨¹rlichen Enzymen vor und dienen als Wirkstoff gegen Krebs und St?rungen des Kupferstoffwechsels.

Erstmals werden Tetrathiometallate nun auch als Liganden f¨¹r die Trennung von Seltenerdmetallen eingesetzt. Dabei kommen seine einzigartigen Redox-Eigenschaften zum Tragen, die Europium in seinen ungew?hnlichen zweiwertigen Zustand reduzieren und so die Trennung von den anderen dreiwertigen Seltenerdmetallen vereinfachen.

?Das Prinzip ist dabei so effizient und robust, dass wir es direkt auf verbrauchte Leuchtstofflampen anwenden k?nnen, ohne dass die sonst ¨¹blichen Vorbehandlungsschritte erforderlich sind?, h?lt Mougel fest.

Europium im Kreislauf f¨¹hren

Elektronikschrott stellt eine wichtige, aber bislang wenig genutzte Quelle f¨¹r Seltenerdmetalle dar. ?W¨¹rde diese Quelle erschlossen, dann k?nnten die Lampenabf?lle, welche die Schweiz derzeit ins Ausland schickt, um sie in Deponien zu entsorgen, stattdessen hier in der Schweiz recycelt werden?, meint Mougel. So k?nnten Lampenabf?lle als urbane Minen f¨¹r Europium dienen und die Schweiz unabh?ngiger von Importen machen.

In der Vergangenheit wurde Europium haupts?chlich als Leuchtstoff in Leuchtstofflampen und Flachbildschirmen verwendet, was zu hohen Marktpreisen f¨¹hrte. Da Leuchtstofflampen nun sukzessive aus dem Verkehr gezogen werden, ist die Nachfrage gesunken, so dass die bisherigen Recyclingmethoden f¨¹r Europium wirtschaftlich nicht mehr rentabel sind. Effizientere Trennstrategien sind dennoch w¨¹nschenswert und k?nnten helfen, die Unmengen an g¨¹nstigen Leuchtstofflampenabf?llen zu verwerten, deren Gehalt an Seltenerdmetallen etwa 17-mal h?her ist als in nat¨¹rlichen Erzen.

Die Nachfrage senken

Umso dringlicher erscheint es, seltene Metalle am Lebensende von Produkten zur¨¹ckzugewinnen und im Kreis zu f¨¹hren ¨C doch die R¨¹ckgewinnungsrate von Seltenerdelementen liegt in der EU weiterhin unter ein Prozent.

Im Prinzip ist jedes Trennverfahren f¨¹r seltene Erden sowohl bei der F?rderung aus Erzen als auch bei der R¨¹ckgewinnung aus Abf?llen einsetzbar. Die Forschenden konzentrieren sich mit ihrer Methode aber bewusst auf das Recycling der Rohstoffe, weil dies ?kologisch und ?konomisch viel sinnvoller sei. ?Unser Recycling-Ansatz ist deutlich umweltfreundlicher als alle herk?mmlichen Methoden zur Gewinnung von Seltenerdmetallen aus Mineralerzen?, sagt Mougel.

Die Forschenden haben ihre Technologie patentiert und sind daran ein Start-up namens Reecover zu gr¨¹nden, um sie k¨¹nftig zu vermarkten. Derzeit arbeiten sie daran, das Trennverfahren f¨¹r weitere Seltenerdmetalle wie etwa Neodym und Dysprosium, die in Magneten vorkommen, anzupassen. Wenn das gelingt, will Marie Perrin nach ihrem Doktorat das Start-up aufbauen und das Recycling seltener Erden in der Praxis etablieren.